京大、電子顕微鏡を用いて有機結晶薄膜中の欠陥構造を観察することに成功

　

　京都大学(京大)は同大の治田充貴 化学研究所研究員(日本学術振興会特別研究員、現 物質・材料研究機構)と倉田博基 同准教授の研究グループが、走査型透過電子顕微鏡を用いて有機結晶薄膜の原子分解能観察に成功し、結晶粒界に特異な欠陥構造が存在することを実証したと発表した。同成果は、英国のオンラインジャーナル「Scientific Reports」に、2012年2月7日(英国時間)に公開された。

　結晶中の原子を直接観察することは、近年、電子レンズの球面収差を補正する技術が開発されたことにより可能となったが、金属や半導体といった無機結晶の観察に限られており、電子線により結晶が破壊されてしまう有機結晶、特に炭素原子や窒素原子などの分子内の軽い元素を観察することは困難であった。

　今回の研究では、塩素化銅フタロシアニンと呼ばれる分子が規則正しく配列した有機結晶材料の撮影が試みられた。同材料は、これまでの研究においても伝統的に観察されてきた分子で、電子線に対して最も耐性のある有機分子としても知られている。

　塩素化銅フタロシアニン分子

　すでに同分子を構成している元素のうち、分子周辺の塩素と中心の銅の配列は撮影がなされていたが、今回は、球面収差補正装置を組み込んだ走査型透過電子顕微鏡により、直径0.1nm以下の電子ビームを形成すると同時に、ナノティップ電界放射電子銃を用いることで、分子の骨格となる炭素と窒素原子の配列を可視化することに成功した。撮影に成功した大きな理由としては、1pA(10-12A)の微小電流を持つ、0.1nm以下の微細電子ビームを用いて試料の照射損傷を低減し、高精細に電子ビームを走査することが可能になったためと研究グループでは説明している。

　円環明視野法による分子像

　円環暗視野法による分子像

　今回開発された同技術を用いた結果、有機結晶中の粒界(結晶の粒同士が接している界面)において、結晶粒内の分子の配向とは異なる分子が存在していることが明らかとなった。また、その配向の異なる分子の数は限られており、粒界においては1から3分子層のみであることも明らかとなった。

　結晶粒界における配向の異なる分子

　有機分子は特異な形を有しているため、分子の並ぶ向きが異なると、電気伝導などの物性が変化することが知られている。今回観察に用いられたフタロシアニン分子は、有機電界効果トランジスタの材料としても応用が期待されている分子の1つだが、新たに発見された特異な欠陥構造は、有機結晶に特有のもので、物性にも影響を及ぼすものと考えられることから、有機デバイスの開発においても重要な知見になるとしており、研究グループでは同技術が、今後、有機トランジスタをはじめとする有機デバイスの新たな構造評価法になっていくものとの期待を示している。